基于VME的星载上行数据处理模块测试平台的设计与实现
2008-08-05
作者：冯文全 张晓林
摘 要： 介绍了VME总线的特点及系统结构，给出了设计基于VME总线的星载" title="星载">星载上行数据处理模块" title="处理模块">处理模块测试平台" title="测试平台">测试平台的一些关键技术，并提出了一种围绕FPGA芯片设计VME总线从设备接口" title="设备接口">设备接口的技术。
关键词： VME总线 测试平台 PSK FPGA
VME(Versa Module Eurocard)总线是一种计算机总线结构。Versa总线是由Motorola公司专为其MC6800处理器开发设计的，VME总线是在Versa总线的基础上发展起来的，主要采用了Versa总线的电气标准及欧式卡（Eurocard）的机械标准。VME总线在工业领域得到了广泛应用，航空、航天和军事等领域也大量采用VME总线。
在以VME为背板总线的系统中，很多功能模块作为VME从设备存在于系统中。目前，市场上有关VME从设备的专用接口芯片功能复杂，成本很高，不被广泛使用，很多VME从设备都需要自行开发VME从设备接口。本文介绍一种围绕FPGA芯片设计VME总线从设备接口的技术。本文设计的基于VME的测试平台是某星载上行数据处理模块的测试平台。
1 VME局部总线
1．1 VME总线的特性
VME总线是第一个独立于微处理器的总线标准，不再受限于某一生产商的处理器产品；VME总线采用主控/目标结构，总线内可以存在多个主模块，所以被称为多路处理总线；VME总线为32位计算机总线，地址/数据信号线采用非复用方式，最大传输速率可达40MPS；在VME64中，VME总线扩展到64位，最大传输速率可达80MPS；VME总线采用异步传输，无时钟也可协调数据传输，模块间的数据传输通过握手信号实现；VME总线能够支持16位、24位、32位寻址和8位、16位、24位、32位数据传送" title="数据传送">数据传送；VME总线支持多处理器体系，最多支持到21个处理器；VME总线支持四级仲裁请求，采用菊花链优先级队列，实现多个主设备共享总线资源。
1．2 VME总线系统结构
VME总线主要由功能模块、底板接口逻辑和四组信号总线组成，功能模块通过底板接口逻辑、利用底板信号总线互相通信。其系统结构如图1所示。
底板总线包括数据传送总线、优先级中断总线、数据传送仲裁总线和共用总线四种。VME总线的数据传输协议有两层：最底层为底板访问层，由底板接口逻辑、共用总线模块和总线仲裁模块组成；上层为数据传输层，由数据传送总线和优先级中断总线模块组成。
四类不同的设备板中包括不同的功能模块，系统控制板包括系统时钟驱动器、电源监视、仲裁、菊花链和总线定时器等功能模块；CPU板包括定位监视器、总线主控、请求器、中断处理、中断器等功能模块；存储器板和I/O设备板都包括目标和中断器等模块。
2 基于VME的星载上行数据处理模块测试平台的设计
2．1 测试平台的系统组成
星载上行数据处理模块由PSK解调卡、指令译码卡和存储器加载卡及VME接口卡组成，主要用来完成上行PSK副载波信号的解调、译码和处理。其中数据注入卡属于VME从设备。
对星载上行数据处理模块进行测试的平台由VME机箱、仿真VME计算机、监测设备和运行在监控计算机上的监控软件组成，用来验证上行数据处理模块的功能及VME从设备接口的设计。系统组成框图如图2所示。
上行数据处理模块所包括的功能单元均以双高度VME卡的形式安装在VME机箱中，其中数据注入板卡通过VME接口与仿真VME计算机完成数据通信。
VME机箱是提供测试模块和被测模块的机械及电气安装载体。
运行在监控计算机上的监控软件提供人机会话界面；设置测试床工作模式（自检/工作）；接收由VME仿真计算机传回的遥测参数，反映星上设备的工作状态；接收显示由VME仿真计算机传送的注入数据；接收显示检测设备发出的指令检测报告。
2．2 监测设备的设计
监测设备用来检测上行数据处理模块译码输出的指令代码，并且提供双电平状态信号，检测上行数据处理模块延时输出的控制信号、星上设备用电以及硬件复位等。原理框图如图3所示。
2．3 VME仿真计算机的设计
VME仿真计算机负责管理上行数据处理模块的工作模式。它通过仿真VME总线时序对上行数据处理模块进行数据的访问，并且能够接收和响应上行数据处理模块的终端请求，然后读取遥控注入数据和遥测参数并传送给测试计算机。另外，仿真计算机还可以通过VME总线向上行数据处理模块发送间接指令。其原理框图如图4所示。
3 VME总线从设备接口的设计与实现
3．1 EDA技术
在现代电子系统设计领域，EDA技术已经逐渐成为电子系统的主要设计手段。FPGA（现场可编程门阵列）是EDA技术中重要的一种应用。FPGA器件在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块来实现一定的逻辑功能。本设计中遥测解调及遥控注入测试卡的数字和逻辑电路部分均由FPGA器件来完成，这里采用Altera公司的FPGA芯片ACEK1K30QC208。该芯片具有三万门可编程逻辑单元，属于Sram型的FPGA芯片，逻辑信息保存在芯片的静态存储器中，上电时动态加载。这种类型的器件在验证期间可以使用下载工具将逻辑加载到芯片中，验证完毕后需要将逻辑信息烧写在专门的PROM中，以后系统上电时，FPGA从PROM中自动加载逻辑。
3．2 从设备接口的设计
在本设计中，VME从设备接口功能为(A24/D16)和(A16/D08)，对应的AM代码如下(IEEE STD 1014-1987)：
AM=0x2D Short supervisory access (A16)
AM=0x29 Short nonprivileged access (A16)
AM=0x3E Standard supervisory program access (A24)
AM=0x3D Standard supervisory data access (A24)
AM=0x3A Standard nonprivileged program access (A24)
AM=0x39 Standard nonprivileged data access (A24)
AM=0x3F Standard supervisory block transfer(A24)
AM=0x3b Standard nonprivileged block transfer(A24)
VME总线特性为：
·A24和A16访问
·D16和D08(EO)访问
·支持D16 BLOCK传输
·支持D08(EO) BLOCK传输
·支持RMW (Read-Modify-Write) 访问
·支持ADO(Address Only)周期
·支持Address pipelining
本地总线特性为：
·支持本地设备就绪信号(LREADY)
·A24/#A16输出（可分别译码）
·SP/#NP输出;DATA_PROG_BLOCK输出（可分别译码）
3．3 从设备中断设计
VME总线从设备接口需要包括中断设计，其功能为完成VME中断请求全过程中的所有应答时序。设计参数(IEEE STD 1014-1987)如下：
·中断释放方式：RORA( RELEASE ON REGISTER ACCESS)和ROAK(RELEASE ON ACKNOWLEDGE INTERRUPT)方式可设置。
·上升沿或高电平本地中断请求有效可选Status/ID：D16 and D08(O) (Double-Byte or Single-Byte Status/ID Read)。
参考文献
1 ANSI/IEEEANSI/IEEE Std 1014-1987. IEEE Standard for A Versatile Backplane Bus: VMEbus,1987
2 VMEBus Reference Manual. Motorola Inc,1990
3 ACEX1K Programmable Logic Device Family Datasheet.Altera Corporation, June 2003
4 TMS320C3x User’s Guide. Texas Instruments Inc, Literature Number: SPRU031E 2558539-9761 revision L, July 1997
5 熊可宜.计算机数字总线标准手册.北京:希望电子出版社,1991.3